百年理论的新转变增强了仿生材料高效传质的潜力

叶子内发现的天然静脉结构激发了多孔材料的结构设计，可以最大限度地提高传质，这得益于对百年生物物理定律的新转变，可以促进能量存储、催化和传感方面的改进。

由剑桥石墨烯中心纳米工程小组领导的国际研究团队开发了一种基于“默里定律”的新材料理论，该理论适用于各种下一代功能材料，其应用范围从可充电电池到高性能气体传感器。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

默里定律由CecilD.Murray于1926年提出，描述了天然血管结构(例如动物血管和植物叶子中的静脉)如何以最小的能量消耗有效地输送液体。

第一作者剑桥博士说：“虽然这种传统理论适用于圆柱形孔结构，但它常常难以用于具有不同形状的合成网络，有点像试图将方钉安装到圆孔中。”学生周冰涵。

研究人员的新理论被称为“通用默里定律”，它弥合了生物容器和人造材料之间的差距，预计将有利于能源和环境应用。

“最初的默里定律是通过最大限度地减少能量消耗来维持血管中的层流而制定的，但它不适合合成材料，”周说。

“为了扩大其对合成材料的适用性，我们通过考虑分层通道中的流动阻力来扩展该定律。我们提出的通用默里定律适用于任何形状的孔隙，并适合所有常见的传输类型，包括层流、扩散和离子迁移”。

研究人员表示，从日常使用到工业生产，许多应用都涉及通过高度多孔材料进行离子或质量传递过程，这些应用可以受益于通用默里定律。

例如，当电池充电或放电时，离子通过多孔屏障在电极之间物理移动。气体传感器依赖于气体分子通过多孔材料的扩散。化学工业经常使用催化反应，涉及反应物通过催化剂的层流。

“采用这种新的生物物理定律可以大大减少上述过程中的流动阻力，从而提高整体效率，”周补充道。

研究人员使用石墨烯气凝胶证明了他们的理论，石墨烯气凝胶是一种以其非凡的孔隙率而闻名的材料。他们通过控制材料内冰晶的生长来仔细改变孔径和形状。他们的实验表明，遵循新提出的通用默里定律的微观通道对流体流动提供了最小的阻力，而偏离该定律则增加了流动阻力。

“我们设计了一个按比例缩小的分层模型进行数值模拟，发现遵循所提出的定律的简单形状变化确实会降低流动阻力，”合著者、工程系流体动力学教授梁东方说。

该团队还通过优化多孔气体传感器展示了通用默里定律的实用价值。与遵循传统上被认为高效的多孔层次结构的传感器相比，根据该定律设计的传感器显示出明显更快的响应。

“两种结构之间的唯一区别是形状上的细微变化，显示了我们拟议的法律的力量和易于应用，”周说。

“我们已将这种特殊的自然法则融入到合成材料中，”领导这项研究的剑桥石墨烯中心纳米工程教授TawfiqueHasan补充道。“这可能是朝着理论指导的功能性多孔材料结构设计迈出的重要一步。我们希望我们的工作对新一代多孔材料很重要，并为可持续未来的应用做出贡献。”